赵增友, 石胜强, 袁智郴, 殷建军, 陈志霞, 秦趣. (2019)黔西高原末次冰期晚期古植被及西南季风演变* [J]. 古地理学报, 21(6): 1013-1024
Zhao Zeng-You, Shi Sheng-Qiang, Yuan Zhi-Chen, Yin Jian-Jun, Chen Zhi-Xia, Qin Qu. (2019)Evolution of vegetation and Southwest Monsoon during the late Last Glacial Period in western Guizhou plateau[J]. Journal Of Palaeogeography, 21(6): 1013-1024.   
Doi: 10.7605/gdlxb.2019.06.069
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黔西高原末次冰期晚期古植被及西南季风演变*
赵增友1, 石胜强2, 袁智郴1, 殷建军3, 陈志霞1, 秦趣1
1 六盘水师范学院旅游与历史文化学院,贵州六盘水 553004
2 西南大学地理科学学院,重庆 400715
3 中国地质科学院岩溶地质研究所,广西桂林 541004

第一作者简介 赵增友,男,1984年生,博士,毕业于西南大学,主要从事孢粉与第四纪环境演变研究。E-mail: tsuzzy0905@163.com。

收稿日期:2019-04-23
基金资助:*贵州省教育厅自然科学基金重点课题(编号:黔教合KY字[2014]284号)、贵州省科技厅联合基金项目(编号:黔科合LH字[2014]7458号)、贵州省教育厅创新群体重大研究项目(编号:黔教合KY字[2016]056号)、六盘水市科技计划项目(编号:52020-2018-03-08)联合资助
摘要

黔西高原的长时间序列孢粉记录比较少,限制了对该地区末次冰期晚期古植被及西南季风演化过程和机制的认识。本研究通过对黔西高原一个连续的古湖泊沉积物孢粉记录的分析,并结合 AMS14C测年,重建黔西高原末次冰期晚期古植被及西南季风演化。结果表明: 轨道尺度上, MIS3(氧同位素 3阶段)中晚期,黔西高原主要为木本、草本植物,喜湿的针叶树种较多,西南季风较强。 MIS2(氧同位素 2阶段)期间,喜湿的针叶树种减少,而草本、蕨类植物增多,指示气候冷干,西南季风减弱。千年尺度上,黔西高原西南季风响应于北大西洋冰漂碎屑事件及 H3( Heninrich 3)、 H2( Heninrich 2)和 LGM( Last Glacial Maximum)事件,导致西南季风减弱,喜湿的针叶树种减少。通过对比发现,东亚夏季风和西南季风在轨道及千年尺度上协同演化,二者均响应于北半球高纬度太阳辐射变化及北大西洋冰漂碎屑事件。在 19~18 cal ka BP,黔西高原经历最冷干气候,西南季风减弱,木本、草本植物近乎消失,而同期东亚夏季风增强,说明西南季风和东亚夏季风在冰后期上存在反相位关系。

关键词: 黔西高原; 孢粉; 古植被; MIS3/2; 西南季风
中图分类号:Q914 文献标志码:A 文章编号:1671-1505(2019)06-1013-12
Evolution of vegetation and Southwest Monsoon during the late Last Glacial Period in western Guizhou plateau
Zhao Zeng-You1, Shi Sheng-Qiang2, Yuan Zhi-Chen1, Yin Jian-Jun3, Chen Zhi-Xia1, Qin Qu1
1 Tourism and History Culture Department,Liupanshui Normal University,Guizhou Liupanshui 553004,China
2 School of Geography Science,Southwest University,Chongqing 400715,China
3 Institute of Karst Geology,Chinese Academy of Geological Sciences,Guangxi Guilin 541004,China

About the first author Zhao Zeng-You,born in 1984,Ph.D.,graduated from Southwest University. Now he is mainly engaged in pollen-spore and quaternary environmental evolution research. E-mail: tsuzzy0905@163.com.

Fund:Co-funded by the Natural Science Foundation of the Guizhou Provincial Education Department(No. Qian Education Corporation KY Character[2014]284),Joint Foundation of Guizhou Provincial Science and Technology Department(No. Qian Technology Corporation LH Character[2014]7458),The Major Research Project of the Innovation Group of the Guizhou Provincial Education Department(No. Qian Education Corporation KY Character[2016]056] and the Project Science and Technology in Liupanshui(No. 52020-2018-03-08)
Abstract

Western Guizhou plateau is an ideal place to reconstruct variations of the Southwest Monsoon since the Last Glacial Period. However,lack of continuous and high temporal resolution records obstacle understanding of evolution of the paleo-vegetation and the Southwest Monsoon. Here we present a palynology record since the Last Glacial Period,which was obtained from a drained paleo-lake in the western Guizhou plateau,with precise AMS14C date, to reconstruct the evolutionary history of vegetation and monsoon. Result shows that: On orbital scale during the stage of MIS3,the main vegetation comprised of arboreal and herbs,in which coniferous arboreal pollen percentage reach its maximum,and indicated a warm and humid climate,implying a strong Southwest Asia Monsoon. During MIS2,the arboreal forest decreased dramatically and the herbs and ferns extended,indicating that a cold and dry climate occurred in this area,implying a weaker Southwest Asia Monsoon,especially during the LGM. On millennium scale,Southwest Asia Monsoon of the western Guizhou plateau co-responded to the “ice drift events”in the North Atlantic,and the Heinrich(mainly H3 and H2)and LGM events resulted in weaker Southwest Asia Monsoon and the decrease of coniferous vegetation in western Guizhou plateau. Comparing with regional climate records reveal that the Southwest Monsoon and the East Asia Summer Monsoon changed synchronous on orbital or millennial scale. The in-phrase relationship implies variations of monsoon system attributed to insolation dynamics in north high latitude and the North Atlantic “ice sheets raft”. Between 19-18 cal ka BP,the research area underwent the driest and coldest climate since MIS2,the arboreal and herbal vegetation nearly disappeared,and the dominant vegetation were ferns,indicating the weakest Southwest Monsoon,while the East Asia Summer Monsoon began to strengthen,which testifies the out-phrase relationship of the two monsoon systems on sub-millennial scale.

Key words: western Guizhou plateau; pollen; paleovegetation; MIS3/2; Southwest Monsoon
1 概述

植被是陆地生态系统中十分活跃的因素之一, 在全球气候变化和碳循环过程中发挥着重要作用。植物群落对气候波动响应敏感, 其组成和结构变化能直观地反映气候变化(Bonan et al., 1992)。黔西高原气候的垂直地带性显著, 植物类型多样, 同时其又是生态脆弱区, 西南季风的强弱变化对该区陆地生态系统及农业生产影响巨大, 因此搞清西南季风演化机制对预测未来季风演化及减灾具有重要意义。近20年来, 以石笋为代表的黔西高原的季风研究取得了较多重要的成果(Yuan et al., 2004; 张美良等, 2004; 杨琰等, 2010; 崔英方等, 2011; 赵侃和汪永进, 2011; Jiang et al., 2014), 建立了更高分辨率和更长时间的西南季风演化序列。然而, 基于石笋δ 18O的季风记录受到了越来越多的挑战(谭明, 2009; Maher and Thompson, 2012; Caley et al., 2014; Liu et al., 2015), 其中最具代表性的为“ 环流效应” (Tan, 2014; 陈建徽等, 2016; Zhang and Li, 2019)。而山地和高原的植被对气候变化十分敏感, 能对气候系统变化做出快速响应(陈建国等, 2011), 且其繁殖器官孢子、花粉易被保存在沉积物中, 成为识别环境信息的载体。但与石笋研究相比, 黔西高原的长时间序列孢粉研究较为薄弱, 因此需要加强以孢粉为代表的古气候研究, 加深对黔西高原古季风演化的认识。

末次冰期, 尤其是氧同位素3阶段(MIS3)以来, 亚洲季风经历多次强弱变化。亚洲季风区记录指示, 在MIS3期, 东亚季风和西南季风整体较强, 气候暖湿(Liu et al., 2014; Zhao et al., 2017), 至气候快速转变的氧同位素2阶段(MIS2), 2支季风在冰后期亚周期尺度上存在相位差异(Jiang et al., 2014)。如葫芦洞石笋记录显示冰后期东亚季风逐渐增强, 贵州程家春洞石笋记录也显示季风增强的信号(张伟宏, 2015), 云南纳帕海记录反映了西南季风区在同期存在高湖位(殷勇等, 2002)。然而高分辨率的三星洞石笋记录则指示冰后期西南季风减弱(Jiang et al., 2014), 云南湖泊记录也指示冰后期异常干冷(Cook et al., 2012), 同期阿拉伯海、孟加拉湾的海洋记录也出现西南季风减弱的信号(Phillips et al., 2014; Zorzi et al., 2015)。限于代用指标、测年精度及区域差异, 东亚季风和西南季风在冰后期的相位问题上仍存在争议, 亟须更高分辨率、更长时间尺度的记录来探究2支季风的相位问题。

黔西高原位于云贵高原东北部的贵州省, 在地质成因上与云南高原一致, 同样发育较多的断陷湖盆和连续的第四纪沉积物。相较于云南的古气候、古生态研究, 黔西高原相关研究较为薄弱, 表现为气候记录数量少、分辨率低、研究时段较短(林瑞芬和卫克勤, 2000; 赵增友等, 2012, 2019; 孔凡翠等, 2013)。本研究基于黔西高原一个连续的古湖泊沉积物剖面的孢粉记录, 结合AMS14C年代测试, 试图揭示黔西高原在MIS3-MIS2期间的古植被和古季风演变。

2 区域概况

研究区位于黔西高原西南部的六盘水市郊(图 1)。地质构造上, 属于扬子准地台的上扬子台褶带威宁至水城跌陷断褶束, 区内多断陷构造, 呈现盆地和山岭相间分布的地貌类型。盆地两侧山岭基岩为下石炭统黄龙群灰岩, 之上依次发育古近系和新近系砂、页岩, 指示区内遭受了强烈构造抬升(赵增友等, 2019)。

图 1 黔西高原末次冰期剖面位置Fig.1 Location of the last glacial sections in western Guizhou plateau

地貌上, 属于岩溶峰丛与岩溶洼地的地貌组合, 岩溶洼地呈NW-SE向狭长分布, 岩溶洼地底部发育有落水洞等排水管道。

土壤上, 在灰岩地质背景下, 发育黄棕壤、黄壤及山地灌丛紫色土, 在岩溶洼地中发育灰色沼泽土。

气候上, 研究区海拔1800~2200 m, 属于亚热带山地气候区, 冬冷夏凉, 全年平均气温为15 ℃, 夏季7月平均气温为19.7 ℃, 冬季1月平均气温为3 ℃, 年均降水量1200~1500 mm。

植被上, 属于亚热带常绿落叶阔叶混交林带, 亚热带成分主要包括: 三尖杉科(Cephalo taxaceae)、连香树科(Cercidiphyllaceae)、十齿花科(Dipentodontaceae)、领春木科(Eupteleaceae)、旌节花科(Stachyuraceae)、水青树科(Tetracentraceae)、樟科(Lauraceae)、壳斗科(Fagaceae)、山茶科(Theaceae)、野茉莉科(Styracaceae)和山矾科(Symplocaceae); 并含有温带分布的杜鹃花科(Ericaceae)、槭树科(Aceraceae)、忍冬科(Caprifoliaceae)、松科(Pinaceae)、柏科(Cupressaceae)、金缕梅科(Hamamelidaceae)、桦木科(Betulaceae)(左经会等, 2006)。受人类活动影响, 现生植被以乔木和灌木为代表, 包括马尾松(Pinus massoniana)、柳杉(Cryptomeria fortunei)、杉木(Cunninghamia lanceolata)、胡桃属(Juglans)、栎属(Quercus)、蔷薇科(Rosaceae)、杜鹃花科和马桑科(Coriariaceae)等植物。

3 材料与方法

LSL剖面取自贵州省六盘水市水城盆地内。由于断陷作用, 研究区山岭相间分布, 发育一系列NW-SE向狭长洼地, 研究剖面就位于1个封闭的小型洼地内。据初步勘探, 该洼地的连续沉积物厚度逾10 m, 层理清楚, 以清灰色淤泥为主, 有机质丰富(底部富含水生植物根茎及腐木), 指示其为湖相沉积, 适合进行古气候、古植被研究。

研究剖面位于该洼地连续沉积物的上部, 剖面长度为110 cm。按物质组成及沉积物颜色, 自上而下将剖面分为3层: 1~13 cm为浅灰色淤泥, 14~80 cm为灰色淤泥, 81~110 cm为黑色淤泥。按2 cm间距取样, 共取得55个样品, 将样品装袋带回实验室烘干。

孢粉提取在西南大学地理科学学院孢粉室完成, 采用常规酸碱处理法(Feagri and Iversen, 1989)。称取干样品10 g左右, 加入1片石松孢子(27637± 110粒), 分别用10% HCL、40% HF及10% Na2CO3进行酸碱处理, 重液法进行孢粉提取。孢粉浓度的计算采用公式: W=A× 27600/(B× G), 式中: A为统计的孢粉数, B为统计的石松孢子数, G为样品重量。

孢粉鉴定和统计在Zeiss Axioskop 40显微镜下进行, 大部分样品的统计高于300粒。孢粉图谱的绘制采用grapher软件完成。利用MVSP进行聚类分析, 并进行孢粉带划分。为分析研究区主要孢粉类型的生态意义, 利用Canoco 4.5对孢粉谱中主要成分进行PCA分析。

根据剖面岩性变化, 选取3个样品, 送至美国Beta实验室进行AMS14C测年, 其中LSL-1样品测试材料为炭屑, 其余2个样品测试材料为有机质。全部测年结果如表 1所示, 利用INTCAL 13软件(Ramsey, 2009)进行年代校正, 根据测年结果建立年代序列(图 2)。

表1 黔西高原末次冰期剖面AMS14C测年结果 Table1 AMS14C dates for a last glacial profile in western Guizhou plateau

图 2 黔西高原末次冰期剖面年代序列图Fig.2 Age-depth model for a last glacial profilein western Guizhou plateau

4 结果分析
4.1 孢粉分析结果

本剖面共鉴定55个样品, 统计21 277粒孢粉, 鉴定出54个孢粉种属(科)。针叶花粉类型包括冷杉属(Abies)、云杉属(Picea)、铁杉属(Tsuga)和松属(Pinus), 阔叶花粉类型为常绿栎(Evergreen-Quercus)、落叶栎(Deciduous-Quercus)、桦属(Betula)、榛属(Corylus)、鹅耳枥属(Carpinus)、胡桃属、榆属(Ulmus)、杜鹃花科、椴属(Tilia)和金缕梅科。草本花粉类型主要包括禾本科(Poaceae)、莎草科(Cyperceae)、蒿属(Artemisia)、唐松草属(Thalictrum)、菊科(Asteraceae)和十字花科(Brassicaceae)。水生草本主要为香蒲属(Typha)。蕨类植物包括卷柏属(Selaginella)、水龙骨属(Polypodiodes)和肾蕨属(Nephrolepis)。选取主要孢粉类型绘制孢粉图谱, 如图 3。

图 3 黔西高原末次冰期剖面孢粉图谱Fig.3 Pollen-spore spectrum of a last glacial profile in western Guizhou plateau

孢粉带Ⅰ (110~88 cm, 38.1— 31.8 calikaiBP): 孢粉浓度达4.56× 107 粒/g。木本植物花粉含量达到该剖面的最高值, 平均占37.9%(30.73%~43.36%), 主要包括: 松属14.31%(8.93%~21.6%)、铁杉属3.62%(1.87%~5.69%)、云冷杉型1.92%(0~3.27%)、常绿栎类6.75%(2.54%~9.64%)、落叶栎类1.83%(0.83%~3.46%)、桦属3.14%(1.45%~5.07%)、榛属1.61%(0.3%~3.04%)、胡桃属1.47%(0.42%~2.62%), 此外还有少量榆属、椴属、杜鹃花科等。草本植物花粉平均占52.88%(47.24%~59.28%), 包括禾本科29.43%(24.86%~34.22%)、莎草科20.59%(13.91%~31.07%)及蒿属、唐松草属、菊科等。蕨类植物孢子平均占5.88%(0.81%~8.39%), 主要为卷柏属3.51%(0~5.71%), 肾蕨、水龙骨属含量较少。

孢粉带Ⅱ (88-62 cm, 31.8— 26.8 calikaiBP): 孢粉浓度升至5.86× 107 粒/g。木本植物花粉含量降至30.86%(24.31%~35.98%), 其中松属12.51%(9.59%~14.83%)、铁杉属1.42%(0.42%~2.01%)、云冷杉型1.36%(0.20%~2.01%)、桦属2.09%(1.22%~3.21%)、榛属1.69%(0.61%~3.51%)、落叶栎类1.64%(0.82%~2.69%)等花粉含量降低, 而常绿栎花粉含量增多到7.87%(5.41%~9.64%)。草本植物花粉含量升至60.94%(58.33%~65.10%), 其中莎草科、香蒲属花粉含量分别升至29.70%(27.26%~34.10%)和1.04%(0.60%~1.84%), 禾本科花粉含量稍降至28.9%(27.02%~32.04%), 其他草本花粉含量变化不大。蕨类植物孢子含量降至4.88%(2.02%~8.42%), 主要类型卷柏属减少至3.04%(0.42%~5.92%)。

孢粉带Ⅲ (62~38 cm, 26.8— 21.8 calikaiBP): 孢粉浓度降至2.29× 107 粒/g。木本植物花粉含量减少至23.14%(14.94%~33.75%), 其中松属花粉含量降至5.1%(1.09%~11.65%), 云冷杉型降至0.63%(0%~1.91%), 而铁杉属升至1.56%(0.34%~3.13%), 常绿栎花粉含量升至9.73%(4.39%~16.52%), 其他类型花粉含量均不同程度减少。草本植物花粉含量较上带减少到58.45%(34.23%~72.39%), 其中禾本科花粉含量降至22.20%(12.42%~32.87%), 而莎草科、香蒲属花粉含量分别升至33.06%(16.52%~42.16%)和1.55%(0.28%~3.16%), 蒿属和菊型花粉近乎消失。蕨类孢子含量迅速升高到15.98%(0.85%~34.0%), 其中卷柏属、肾蕨属分别升至11.31%(0%~23.42%)和1.96%(0~4.80%), 其他孢子含量变化不大。

孢粉带Ⅳ (38~14 cm, 21.8— 19.2 calikaiBP): 孢粉浓度降至2.41× 106 粒/g。木本植物花粉含量升至36.23%(28.72%~46.06%), 其中常绿栎类22.04%(12.77%~30.93%)、落叶栎类1.70%(0.43%~3.85%)、榛属3.31%(0.52%~5.65%)、桦属2.25%(0~5.11%)等花粉含量升高, 而松属3.00%(0.96%~5.93%)、云冷杉型0.66%(0~3.07%)、铁杉属1.16%(0.35%~2.81%)等花粉含量降低。草本植物花粉含量降至40.55%(26.80%~57.19%), 其中禾本科花粉含量降至20.53%(5.15%~36.67%), 莎草科花粉含量降至8.41%(3.88%~15.93%), 香蒲属花粉含量升至8.67%(1.77%~18.25%), 其他草本(蒿属、菊型、唐松草等)花粉含量变化不大。蕨类孢子含量升至22.23%(10.37%~42.55%), 其中水龙骨属、肾蕨属分别增至5.54%(0.74%~14.89%)和5.11%(2.40%~10.64%), 卷柏属降至7.68%(3.59%~10.82%)。

孢粉带Ⅴ (14~1 cm, 19.2— 17.6 calikaiBP): 孢粉浓度回升至3.04× 106 粒/g。木本植物花粉含量降至23.86%(11.20%~31.57%), 其中松属花粉含量升至17.56%(6%~26.17%), 常绿栎类花粉含量降至1.5%(0.34%~4.06%), 而其他木本花粉含量极低。草本植物花粉含量降至22.48%(7.2%~45.26%), 其中禾本科、莎草科花粉含量分别降至15.27%(3.6%~33.68%)和2.99%(1.58%~6.32%), 水生草本花粉含量显著降低至1.70%(0~8.75%), 而蒿属(0.84%)、菊型(0.85%)等花粉含量稍上升。蕨类孢子成为孢粉组合的主体, 含量达52.35%(26.34%~77.0%), 水龙骨属、肾蕨属孢子含量分别升至20.72%(6.32%~38.0%)和17.80%(1.22%~27.67%)。此外, 凤丫蕨属(3.99%)、未鉴定单缝孢(7.89%)含量也迅速增加, 而卷柏属孢子含量降至1.94%。

4.2 PCA分析结果

为搞清研究区植物种属的生态意义, 对孢粉组合中主要植物种属进行PCA分析(图 4)。结果显示: 第一主轴、第二主轴的特征值分别为0.491和0.223, 第三、第四主轴的特征值分别是0.156、0.004, 可见第一、二主轴是植被变化的主控因素(贡献率71%)。第一主轴右端是水龙骨属和肾蕨属, 自右往左依次出现蒿属、菊型、冷杉属、铁杉属等, 最左端是莎草科。水龙骨属既可指示偏干环境, 也可代表湿生环境, 其环境指示意义存在不确定性。蒿属、菊型是中国北方草原地区的代表, 指示偏干环境(Zhao et al., 2009); 云杉属、冷杉属、铁杉属喜阴湿环境(吴征镒, 1980), 而莎草科是湿生草本(Tang et al., 2009), 因此, 第一主轴主要指示水分条件的分异, 且其右端指示偏干环境, 而左端指示偏湿环境。

图 4 黔西高原末次冰期剖面孢粉PCA分析结果Fig.4 Result of PCA analysis for a last glacial fossil pollen record in western Guizhou plateau

第二主轴最下端是松属, 西南地区的松属主要是喜暖类型, 代表温暖偏干的环境(Jarvis, 1993)。自坐标轴下端向上依次出现喜凉湿的云冷杉、铁杉和温带的桦属、榛属、落叶栎类等, 最顶端是常绿栎类。常绿栎是热带、亚热带季风气候区典型植被, 指示温湿环境, 但高山栎类同属于常绿栎类群。通过植被调查和查阅文献发现, 六盘水地区的高山栎类主要有黄背栎(Quercus pannosa)和刺叶高山栎(Quercus spinosa)2种(左经会等, 2018), 除刺叶高山栎分布在韭菜坪山顶外(2900 m), 黄背栎自然分布于水城的海坪和野鸡坪地区(2000~2300 m), 而水城盆地缺乏代表亚热带气候的现生常绿栎分布, 因此, 研究区末次冰期常绿栎花粉很可能是高山栎类。有研究认为西南地区的高山栎类生态幅较广, 适应性较强, 耐寒、耐旱, 代表冷干环境(郑茜等, 2014), 因此, 第二主轴指示温度, 坐标轴下端指示温暖环境, 而上端指示偏冷环境。

5 讨论
5.1 黔西高原MIS3-MIS2古植被、古气候演化

根据孢粉组合及年代序列, 重建研究区MIS3-MIS2古植被、古气候演变历程。

38.2— 31.8 calikaiBP: 研究区植被以木本和草本植物混生为特征, 其中木本植物花粉含量达到本剖面最高值, 主要为温带— 亚热带针阔混交林, 山地针叶成分包括松属、云冷杉型、铁杉属等, 其中云冷杉型、铁杉属是喜湿植物。松属花粉含量达到本剖面最高值(14.31%), 前人认为松属花粉含量高于30%时才会有松属纯林存在(许清海等, 2015), 说明研究区不存在松属纯林, 而是作为针阔混交林的成分。冷杉属、铁杉属为低代表性花粉, 一般分布于植物体周围(李文漪, 1991; Javis and Clay-Poole, 1992; 吕厚远等, 2004), 尽管云杉属花粉代表性存在争议, 但在西南山区云杉和冷杉往往相伴出现, 且云杉属、冷杉属、铁杉属在本带花粉含量均达峰值, 但其总量均不高, 说明云杉、冷杉、铁杉属植物是作为针阔混交林的成分零星分布。本研究中阔叶林以温带成分为主, 包括桦属、榛属、榆属、胡桃属、常绿栎(高山栎类)、落叶栎等, 指示温凉湿润的山地气候。孢粉组合中香蒲属等挺水植物花粉含量少, 说明湖泊水位较高, 区域内降水量较大, 西南季风较强。同期, 贵州石笋δ 18O值偏负(Yuan et al., 2004; 崔英方等, 2011), 云南孢粉记录指示植被以针叶— 常绿阔叶林为主(Rao et al., 2010; Chen et al., 2014), 青藏高原众多湖泊则经历高湖面(施雅风等, 2002), 这些事实均指示西南季风强度在MIS3末期较强。

31.8— 26.8 calikaiBP: MIS3与MIS2过渡期, 孢粉浓度升高与草地面积扩大有关, 木本植物中喜湿的云冷杉、铁杉属花粉含量减少, 而耐旱的常绿栎(高山栎类)花粉含量升高, 说明在MIS3向MIS2过渡期间, 气候逐渐变干。草本植物中莎草科、香蒲属花粉含量上升, 说明古湖泊水位下降, 湖岸出露面积扩大。Gillson(2006)认为莎草科为原地沉积时, 莎草科花粉的增多指示湖泊水位下降。研究区现存的莎草科植物为水毛花(Scirpus mucronatus), 主要生长在残留湖沼的岸边及湖岸浅水处, 在干旱年份湖岸出露面积扩大, 水毛花群落扩大。因此, 喜湿针叶植物的减少、莎草科及香蒲属花粉增多, 指示湖泊水位降低、降水减少、西南季风减弱。在云南星云湖, 生物生产力降低, (Hodell et al., 1999), 孢粉数据指示气候变干(Chen et al., 2014), 黔西Wulu洞石笋δ 18O值指示西南季风呈逐渐减弱的趋势(赵侃和汪永进, 2011), 本研究结果与之相对应。

26.8— 21.8 calikaiBP: MIS2孢粉浓度骤降, 木本植物种属发生演替, 喜湿针叶树种大幅减少, 温带阔叶树种(桦属、榛属、落叶栎、榆属、杜鹃花科)也相应减少, 而常绿栎(高山栎类)面积扩大。草本植物中, 禾本科、菊科、蒿属植物减少, 而莎草科升至剖面最高, 香蒲属增多, 指示湖泊水位降低, 区域降水量减少, 西南季风减弱。该时期发生H2事件, 石笋记录指示西南季风减弱(赵侃和汪永进, 2011), 这与黔西高原孢粉组合中耐干植物的增多相对应。同期, 青藏高原植被以荒漠草原为主(唐领余等, 1998)。

21.8— 19.2 calikaiBP: 末次冰盛期(Last Glacial Maximum, 简写为LGM)期间, 孢粉浓度降至极低, 喜湿针叶树降至很低乃至消失, 耐旱树种增多, 如落叶栎、桦属、榛属、常绿栎等, 尤其是常绿栎(高山栎类)花粉含量升至22.04%, 成为主要木本成分, 可认为LGM期间, 研究区优势树种主要为常绿栎(高山栎类), 气候冷干。草本植物中, 莎草科花粉迅速减少, 其他草本植物花粉含量也相应降低, 尽管此时干旱造成大面积的湖底出露, 但可能温度、湿度条件已不适宜草本植物生长, 故禾本科、莎草科、香蒲属植物大幅减少。因此, 喜湿针叶树种的消失和耐旱阔叶增多, 指示降水减少、西南季风减弱。该时期, 在云南Shudu湖TOC、δ 13C达到最低(Cook et al., 2012), 而文海湖耐干的桦属植物增多(Yao et al., 2015), 气候模拟结果也指示青藏高原该时期降水减少(姜大膀等, 2002)。

19.2— 17.6 calikaiBP: 孢粉浓度较低, 样品中孢粉数量极少, 统计量低于300粒, 孢粉组合以蕨类孢子为主, 木本、草本植物花粉少。松属花粉含量上升, 其他植物种属极少, 故该阶段松属花粉增多可能是由于松属花粉的超代表性及其他花粉浓度极低造成的放大效应。本阶段最明显的特征是水龙骨属和肾蕨属孢子含量的增长, 尽管水龙骨属和肾蕨属的生态意义并不明确, 但在本剖面中2种蕨类植物出现在MIS2期间, 且随着气候变冷逐渐增多, 至19— 18 calikaiBP升至最高, 而木本、草本花粉浓度和含量均降至极低, 说明气候不再适宜木本、草本植物的生长, 可能指示该阶段气候异常干冷, 也可能说明水龙骨属、肾蕨属对冷干环境具有一定的适应能力。同期, 云南宝秀盆地、文海湖的记录都指示生产力降低, 植被退化(Yao et al., 2015; Huang et al., 2016), 气候呈冷干状态, 黔西Wulu洞石笋δ 18O值也指示偏正幅度较LGM大(Jiang et al., 2014)。

5.2 黔西高原MIS3-MIS2西南季风演化及其与东亚夏季风的联系

通过古植被、古气候重建发现: 轨道尺度上, MIS3期, 研究区发育针叶— 阔叶混交林(图 5), 如铁杉属、云杉属、冷杉属、栎属、桦属、榛属等, 反映温凉湿润的山地气候环境, 西南季风较强, 这对应于格陵兰冰芯记录的温暖期(Svensson et al., 2006)。同期, 黔西Wulu洞WU3石笋(Duan et al., 2014)δ 18O值指示强西南季风事件。云南星云湖孢粉记录也指示代表温湿气候的针阔混交林(Chen et al., 2014), 青藏高原Chen Co湖记录指示MIS3晚期温暖湿润(Zhu et al., 2009), 有研究证实青藏高原众多湖泊出现高水位(施雅风和赵井东, 2009)。

图 5 黔西高原末次冰期孢粉记录与石笋、格陵兰冰芯对比(灰色条带表示冷期, 数字表示Do事件)Fig.5 Comparison of last glacial pollen-spore record in western Guizhou plateau with Hulu cave stalagmite record and NGIR record(black bar refers to cold-dry period; the numbers refers to Do events)

Hodell等(1999)和Huang等(2016)也认为MIS3期西南季风增强, 这与阿曼石笋(Fleitmann et al., 2003)及孟加拉湾海洋沉积(Phillips et al., 2014)研究结果相一致。综上记录说明, 西南季风区在MIS3晚期经历强夏季风阶段。东亚季风区MIS3期也经历较强降水事件, 如南京Hulu洞石笋δ 18O值整体偏负(Wang et al., 2001), 同时雷州半岛(Xue et al., 2015)和南海孢粉记录(Sun et al., 2000; Dai et al., 2015)指示温湿气候。此外, 中国华北(Liu et al., 2014)、黄土高原(Liu et al., 2018)在此时期均经历温暖湿润的气候, 说明MIS3期西南季风和东南季风均较强。

MIS2期间, 研究区喜湿针叶树花粉含量减少, 而耐冷干的阔叶树及草蕨类孢粉增多, 说明气候冷干化趋势明显, 西南季风减弱。同期, 黔北三星洞石笋δ 18O值明显偏正(Jiang et al., 2014), Shudu湖δ 13C值指示湖泊生产力下降(Cook et al., 2012), 星云湖孢粉记录也指示喜冷植物增加(Chen et al., 2014)。另外, 阿拉伯海有孔虫δ 18O记录也指示西南季风减弱(Rao et al., 2010; Kumar and Ramesh, 2017), 青藏高原冰川前进(Hu et al., 2017)。结合黔西高原孢粉分析结果, 均指示MIS2期西南季风减弱。在东亚季风区, Hulu洞石笋δ 18O值逐渐偏正(Wang et al., 2001), 黄土高原植被以禾本科、蒿属等草本植物为主, 黄土层堆积(Liu et al., 2018)。南海记录显示(Sun et al., 2000; Dai et al., 2015), MIS2期间, 大陆架出露扩大, 发育以草原为主的植被, 雷州半岛植被热带— 亚热带成分较少(Huang et al., 2016), 说明东亚夏季风也同步减弱。

千年尺度上, H3(Heninrich 3事件)期间, 黔西高原喜湿的针叶树花粉含量显著降低, 而耐旱的阔叶树花粉(栎属、榛属、桦属)含量升高, 指示西南季风减弱, 气候变干。同期, 黔西Wulu洞石笋δ 18O也指示西南季风减弱(Duan et al., 2014), 云南星云湖孢粉记录(Chen et al., 2014)也指示千年尺度弱季风事件。东亚季风区石笋δ 18O值明显偏正(Wang et al., 2001), 而雷州半岛孢粉记录(Xue et al., 2015)亦指示东南夏季风减弱。

H2和LGM期间, 研究区喜湿木本植物(松属、云杉属、冷杉属、铁杉属)花粉含量显著降低, 而耐冷干的常绿栎(高山栎类)及草本植物(禾本科、莎草科、菊科)花粉含量增多, 指示研究区变干, 西南季风减弱。黔西Wulu洞石笋δ 18O值逐渐偏正(Duan et al., 2014), 云南Shudu湖及Wenhai 湖记录反映同期气候冷干(Cook et al., 2012; Yao et al., 2015), 这些均指示西南地区经历弱夏季风事件, 降水减少。在东亚季风区同样也经历了夏季降水减少, 湖北三宝洞、南京Hulu洞石笋H2期间δ 18O值显著正偏(Wang et al., 2001, 2008), 大九湖孢粉记录显示孢粉浓度降低(郑秋凤等, 2014), 而同期黄土高原植物主要以耐旱的C3植物为主(Yao et al., 2011), 均指示东南季风减弱。

通过分析发现, 黔西高原MIS3-MIS2期间, 西南季风与东亚夏季风在轨道及千年尺度上协同演化, 响应于北半球高纬度地区的太阳辐射及北大西洋冰漂碎屑事件。

5.3 西南季风与东亚夏季风反相位关系

尽管西南季风和东亚夏季风在轨道尺度和千年尺度上均协同演化, 但受控于区域环流、下垫面等因素, 有学者认为两者也存在反相位关系。末次冰盛期后(19— 18 calikaiBP), Hulu洞石笋记录指示东亚夏季风增强(Wang et al., 2001), DJH孢粉记录也显示气候转湿(Li et al., 2013), 黄土高原降水增多(Liu et al., 2018)。而在冰后期的黔西高原, 除松属花粉外, 木本和草本植物花粉近乎消失, 孢粉组合以蕨类孢子为主, 孢粉浓度极低, 可能指示黔西高原为异常冷干的气候。黔北三星洞石笋δ 18O值也显示冰后期西南季风异于东亚夏季风的演化, 呈现减弱特征(Jiang et al., 2014), 云南宝秀泥炭指示同期西南季风减弱(Huang et al., 2016), 而Yao等(2015)对文海湖孢粉研究也认为19— 17 calikaiBP为LGM最冷干阶段。因此, 西南季风和东亚夏季风在亚周期上存在反相位演化。

2种季风反相位演化机制尚不明确, 现代气象观测发现, 在西南季风区和东南亚夏季风降水存在反相位关系(Liu et al., 2008), 有研究认为这种反相位主要由厄尔尼诺造成。Kumar和Ramesh(2017)认为, 厄尔尼诺年份对应西南季风减弱, 南亚印度经受干旱, 而在西太平洋由于径向环流的减弱, 造成SST升高, 从而加强东亚夏季风(Scott et al., 2002)。也有研究认为, 赤道辐合带南移, 造成西南季风减弱(Yancheva et al., 2007)。因此, 对于西南季风和东亚夏季风反相位的成因尚不明确, 需要更多高分辨率记录进行研究。

6 结论

1)利用孢粉指标, 重建了MIS3-MIS2期间黔西高原植被历史: MIS3中晚期, 植被以木本、草本植物为主, 喜湿针叶树种较多, 指示气候温湿, 西南季风较强。MIS2期间, 木本植物减少, 而草本、蕨类植物增多, 指示气候冷干, 西南季风减弱。

2)通过区域对比发现, 西南季风和东亚夏季风在轨道及千年尺度上协同演化。

3)西南季风和东亚夏季风在冰后期存在反相位关系。黔西高原在19— 18 calikaiBP, 木本植物近乎消失, 指示MIS2期最冷干气候, 而同期东亚夏季风增强。

致谢 感谢两位审稿专家提出的宝贵修改意见!

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